INGENIERÍAGENÉTICA

YBIOTECNOLOGÍA

Historia1919: Karl Ereky, ingeniero húngaro, utiliza por primera vez la palabra

biotecnología. 1965: El biólogo norteamericano R. W. Holley «leyó» por primera vez la

información total de un gen de la levadura compuesta por 77 bases, lo que le valió el Premio Nobel.

1970: el científico estadounidense Har Khorana consiguió reconstruir en el laboratorio todo un gen.

1973: Se desarrolla la tecnología de recombinación del ADN por Stanley Cohen, y Herbert Boyer.

1976: Har Khorana sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases.

1976: Robert Swanson y Dr. Herbert Boyer crean Genentech, la primera compañía de biotecnología.

1978: Nace Baby Louise, el primer bebé concebido mediante fecundación in vitro.

1981: Primer diagnóstico prenatal de una enfermedad humana por medio del análisis del ADN.

1982: Se crea el primer ratón transgénico (el "superratón"), insertando el gen de la hormona del crecimiento de la rata en óvulos de ratona fecundados.

1982: Se produce insulina para humanos, la primera droga derivada de la biotecnología.

1983: Se aprueban los alimentos transgénicos producidos por Calgene. Es la primera vez que se autorizan alimentos transgénicos en Estados Unidos.

1983: Se inventa la técnica PCR, que permite replicar (copiar) genes específicos con gran rapidez.

1985: se utiliza por primera vez la "huella genética" en una investigación judicial.

1986: Se autorizan las pruebas clínicas de la vacuna contra la hepatitis B obtenida mediante ingeniería genética.

1990: primer tratamiento con éxito mediante terapia génica en niños con trastornos inmunológicos ("niños burbuja").

1990: fundación del Proyecto Genoma Humano.

1996: se completa la secuencia del genoma de un organismo eucariótico, la levadura cervecera "Saccharomyces cerevisiae".

1997: Clonación del primer mamífero, una oveja llamada "Dolly".2003: Cincuenta años después del descubrimiento de la estructura del ADN,

se completa la secuencia del genoma humano.

• La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular el genoma de un ser vivo.

• La ingeniería genética es una técnica que consiste en la manipulación, modificación e introducción de genes en el genoma de un individuo que carece de ellos.

La ingeniería genética incluye un conjunto de biotécnicas, entre las que destacan:

1. la tecnología del ADN recombinante: con la que es posible aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro.

2. la reacción en cadena de la polimerasa (PCR): con la que se consigue aumentar el número de copias de un fragmento determinado de ADN, por lo tanto, con una mínima cantidad de muestra de ADN, se puede conseguir toda la que se necesite para un determinado estudio.

3. La secuenciación del ADN: Técnica que permite saber el orden o secuencia de los nucleótidos que forman parte de un gen.

TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICAA) TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTEA) TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE: permite aislar un fragmento

de ADN de un organismo (transgén) e insertarlo en el ADN de otro organismo que puede ser de otra especie.

• Esta técnica permite la obtención de transgénicos: organismos que portan genes de otra especie

Molécula A Molécula B

Digestión de ambas moléculas con la misma enzima de restricción, BamHI

Mezclar

Tratar con ADN-ligasa

ADN recombinante

Extremos cohesivos

Las enzimas de restricción son ENDONUCLEASAS (tijeras moleculares). Cortan el ADN:– Cada enzima reconoce

una secuencia de nucleótidos y corta en ese punto cada cadena de ADN.

– Los extremos libres son pegajosos porque pueden unirse a otros fragmentos cortados por las mismas enzimas de restricción

Las enzimas de restricción son capaces de "cortar" el ADN en puntos concretos.

La unión del ADN procedente de dos orígenes distintos produce una molécula de ADN recombinante

La síntesis de insulina humana a partir de bacterias o levaduras, para ello se incorpora a estos microorganismos el gen humano que codifica la síntesis de esta proteína

B) REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA, TÉCNICA PCRB) REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA, TÉCNICA PCR

• Permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una muestra muy pequeña

Aplicaciones:

• Obtención de cantidad suficiente de ADN para su secuenciación (leer el orden de las bases nitrogenadas) y poder determinar si existe alguna mutación o simplemente conocer la disposición normal de las bases (se utiliza en el estudio de los genomas)

• Análisis de ADN fósil• Estudios de parentesco evolutivo: el grado de similitud en el ADN permite

establecer relaciones de parentesco entre especies • Identificación de especies• Determinación de huellas genéticas, permite obtener suficiente cantidad de

ADN a partir de muestras pequeñas (gotas de sangre, semen, bulbo de cabello, restos de piel) para poder realizar estudios comparativos (investigaciones policiales, medicina forense, pruebas de paternidad)

UNIDAD

7UNIDAD

7UNIDAD

7UNIDAD

7Así se realiza la técnica PCR

Enfriamiento

Enfriamiento

Calentamiento

Calentamiento

ADN polimerasa

Nucleótidos

Nucleótidos

ADN polimerasa

El fragmento de ADN que se desea amplificar se calienta para que las dos hebras se separen.

Las hebras separadas se enfrían y se tratan con ADN polimerasa y nucleótidos para formar las cadenas complementarias de cada hebra de ADN.

Se inicia un nuevo ciclo en el que los fragmentos de partida son los dos fragmentos de ADN formados en el ciclo.

Se forman las cadenas complementarias de ADN de las hebras separadas. Después de 20 ciclos de este proceso, se logra

disponer de más de un millón de copias de la molécula.

C) SECUENCIACIÓN C) SECUENCIACIÓN

• Consiste en poder determinar la secuencia de nucleótidos (de bases nitrogenadas) de un fragmento de ADN

• Permite identificar posibles mutaciones diagnosticar enfermedades asociadas a estas mutaciones: DIAGNÓSTICO MOLECULARDIAGNÓSTICO MOLECULAR

• El diagnóstico molecular permite diagnosticar la enfermedad antes de que se manifieste clínicamente lo cual puede permitir un mejor control de la misma.

• Se utiliza en el diagnóstico prenatal, en el consejo genético y en la selección de embriones para evitar enfermedades hereditarias

• En investigación forense, por ejemplo, identificación de individuos o en pruebas de paternidad.

• En medio ambiente, por ejemplo, para la identificación de especies animales y vegetales, la conservación de recursos genéticos animales, la identificación de organismos genéticamente modificados, la identificación de especies bacterianas

Secuenciación de ADN: método Sanger

1. Este método utiliza didesoxirribonucleótidos, cuya incorporación a la secuencia de ADN provoca la terminación de la cadena, ya que no se puede añadir ningún ribonucleótido más al extremo en el que se incorporan.

2. Como primer requisito se necesita un gran cantidad de la muestra, por lo que es necesario clonar el fragmento de ADN seleccionado. A continuación, se desnaturaliza el ADN y se obtienen cadenas simples que se incuban en un tubo de ensayo junto con el resto del material.

3. Se inicia la síntesis de nuevas cadenas de ADN que utilizan como molde el ADN que se quiere secuenciar. Las cadenas incorporan un desoxirribonucleótido por azar e interrumpen su síntesis. Al realizar miles de copias se obtienen múltiples cadenas de longitud variable, que se diferencian en un nucleótido.

Al identificar los desoxirribonucleótidos terminales de las cadenas se puede “leer” la secuencia de nucleótidos del fragmento de ADN analizado.

Cuatro tubos diferentes con:Polimerasa dATP, dCTP, dTTP y dGTPUn solo didesoxi marcado (ddATP)Se forman fragmentos de distinto tamaño terminados en A

Los fragmentos de ADN obtenidos se separan por tamaños con electroforesisCada una de las cuatro muestras se insertan en un carril diferente del gel

Clonación reproductiva: DollyEl equipo de Ian Wilmut, del Instituto Roslin de Edimburgo comunicó en 1997 que habían logrado una oveja por clonación a partir de una célula diferenciada de un adulto. Esencialmente el método (que aún presenta una alta tasa de fracasos) consiste en obtener un óvulo de oveja, eliminarle su núcleo, sustituirlo por un núcleo de célula de oveja adulta (en este caso, de las mamas), e implantarlo en una tercera oveja que sirve como “madre de alquiler” para llevar el embarazo. Así pues, Dolly carece de padre y es el producto de tres "madres": la donadora del óvulo contribuye con el citoplasma (que contiene, además mitocondrias que llevan un poco de material genético), la donadora del núcleo (que es la que aporta la inmensa mayoría del ADN), y la que parió, que genéticamente no aporta nada.

célula de ubre de la oveja A

óvulo no fecundado de la oveja donante

eliminación del núcleo ( ADN) del óvulofusión entre la célula de la

oveja A y el óvulo no fecundado sin núcleo

desarrollo del embrión (in vitro)

implante del embrión en el útero de una oveja receptora

Dolly (clon de A)

Oveja adulta A Oveja adulta donante

Oveja adulta receptora

Clonación de animales

1. Los investigadores cogieron células de la glándula mamaria de una oveja adulta.

2. Cogieron óvulos no fertilizados de otra oveja y les extrajeron en núcleo.

3. Insertaron 277 núcleos de la células adultas en otros tantos óvulos. Sólo 29 sobrevivieron.

4. Los 29 óvulos se implantaron en el útero de 13 ovejas nodrizas. Sólo una quedo preñada y parió a Dolly

Dolly (1997-2003), la primera oveja obtenida por

clonación a partir de células adultas

Un laboratorio de Texas clona al primer animal doméstico

"Copycat" es el primer gatito nacido mediante clonación"

El experimento abre las puertas de la clonación masiva de animales domésticos, un fin sin explorar cuya sola posibilidad había desencadenado ya el almacenamiento de células de mascotas por parte de sus ricos propietariosEn España se clona al primer toro de lidia

Aplicaciones de la ingeniería genética

1.Obtención de medicamentos

2.En las terapias génicas

3.En medicina forense: la huella genética

4.En la agricultura y ganadería

5.En el medio ambiente

6.En la investigación de genomas.

UNIDAD

7UNIDAD

7UNIDAD

7UNIDAD

7UNIDAD

7Obtención de medicamentos por ingeniería genética

UNIDAD

4

Plásmido con gen

insertado

Células embrionarias

Vaca receptora Vaca transgénica Vaca transgénicaEl gen del factor VIII, procedente de células humanas, se inserta en un plásmido.

El plásmido seinserta en célulasembrionarias deuna vaca.

Los embriones seimplantan en unavaca receptora.

Tras el desarrollo del embrión, nacerá una vaca transgénica que portará el gen del factor VIII en sus células.

Cuando la críacrezca, de su leche se podrá obtener el factor VIII.

Mansa (nació en 2002)Primera ternera clonada y transgénica.

Produce la hormona de crecimiento humana en la leche

Terneros clonados y manipulados genéticamente (fábrica de anticuerpos humanos)

Clonan terneros en EE UU para producir anticuerpos humanos

Clonan cerdos destinados a trasplantar sus órganos a humanos

La empresa escocesa PPL Therapeutics logra retirar de los cerditos el gen que provoca el rechazo en transplantes a humanos "alfa 1,3 galactosil transferasa"

• Obtención de alimentos medicamento

mejora vegetal• Resistencia al glifosfato herbicida no selectivo, con

gen de E. coli resistente, clonado e incorporado• Resistencia a plagas, con toxina de Bacillus turingiensis• Resistencia a virus, con proteínas de la cápsida de

dicho virus

• Mejora del producto (alimentos)• Arroz transgénico –arroz dorado- con

βcaroteno (vit A)

LA BIOTECNOLOGÍA Y LAS ENFERMEDADES GENÉTICAS

Enfermedades genéticas

hereditarias

Cromosómicas: Se producen por un cambio que afecta a cromosomas completos o a fragmentos

Síndrome de Down (trisomía 21)Síndrome de Down (trisomía 21)

Pueden ser heredadas o causadas por problemas en la formación de gametosPueden ser heredadas o causadas por problemas en la formación de gametos

Monogénicas: Los cambios están en un único gen que se hereda como cualquier característica

Fibrosis quística: Alelo mutante recesivo en el cromosoma 7Fibrosis quística: Alelo mutante recesivo en el cromosoma 7

APLICACIONES

Obtención de productos farmacéuticos

Medicina forense

Diagnóstico de enfermedades

Terapia génica

InsulinaInterferónH. De crecimientoFactor VIII

Marcadores genéticosHuella genética

Detección en personas o fetos enfermedades hereditarias por técnicas de ADN recombinante

Inserción de genes funcionales para corregir un defecto genético

En células somáticas

En células germinales

Las enfermedades genéticas debidas a un solo gen defectuoso ascienden a más de 4000, de las cuales 345 afectan al cromosoma X, por lo que serán transmitidas a los niños varones, si su madre posee uno de esos defectos genéticos. La terapia génica está siendo considerada la cuarta revolución de la medicina (después de las medidas de salud pública, la anestesia, y las vacunas y antibióticos). Para su aplicación se siguen dos estrategias: a) Insertar una copia sana de un gen en las células del paciente con una enfermedad genética, para compensar el efecto del gen defectuoso ( esto se consiguió con una niña que tenía una inmunodeficiencia grave). b) Introducir un gen especialmente diseñado para que proporcione una nueva característica a las células (por ejemplo, introducir en linfocitos un gen que produzca un inhibidor del virus del sida en pacientes afectados por el VIH).

UNIDAD

7UNIDAD

7UNIDAD

7UNIDAD

7Las terapias génicas

Transferencia del gen normal in vivo Transferencia del gen normal ex vivo

Vector (virus)

Vector (virus)

Células del paciente

Células del pacientecon el gen deseado

Se cultiva un vector,que portará el gendeseado.

El gen se introducedirectamente a travésde un vector.

Se extraencélulas delpaciente.

Se prepara un vector que portará el gen deseado.

Las células con el gense introducen de nuevoen el paciente.

El gen seintroduce enlas células delpaciente a travésdel vector.

Clonación terapéutica: se podría utilizar para curar a una persona que necesite el trasplante de células, tejidos y órganos. El embrión se utiliza como fuente de células madre embrionarias (pluripotentes)

La huella genética

Bebe B Bebe C Bebe A

Un gen de un pez plano del Ártico que no interrumpe su crecimiento

en invierno

Otro gen del propio salmón modificado que no interrumpe la producción del hormona del crecimiento cuando el pez llega a la madurez

Animales transgénicosSalmón: Crece entre 6 y 8 veces más que un salmón normal. Se le han incorporado dos genes.

frankenfish

BiorremediaciónLa naturaleza tiene una cierta capacidad de limpieza de los elementos contaminantes. Microorganismos como levaduras, hongos o bacterias degradan una gran cantidad de sustancias tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o incluso volviéndolas inocuas para el medio ambiente y la salud humana.

La biorremediación consiste en acelerar este proceso natural para mitigar la contaminación ambiental.

Los expertos en ingeniería genética creen que la utilización de organismos modificados genéticamente traerá un mayor desarrollo de la biorremediación. Los ejemplos son muy variados: •La introducción de un gen en el organismo específico para el vertido.•El desarrollo de cepas biosensoras luminiscentes, que permitirían monitorizar el proceso de degradación.•La creación de plantas transgénicas para limpiar suelos contaminados.

Los alimentos transgénicos

Retraso en la maduración

Producción de sustancias

Mejora de la calidad

Los alimentos transgénicos

Tomate Flavr Svr

Café más aromático y con menos cafeína

Resistencia a herbicidas e insectos

Maíz resistente a insectos

Arroz que produce provitamina A

Soja resistente a herbicidas

Patatas que inmunizan contra enfermedades

Algunos tipos de plantas transgénicas

El abanico de estos

cultivos es muy

amplioTomates morados, con el gen de

los arándanos, que les aporta

propiedades anticancerígenas

Plantas transgénicas contra

minas antipersona

Tomates azules, con vacunas

Golden rice con vitamina A

LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS

Riesgos de la biotecnología

Pérdida de diversidad genéticaPérdida de diversidad genética

Pérdida de diversidad cultivada, invasión de ecosistemas naturales

Paso de genes transferidos a especies silvestres o tradicionales

Paso de genes transferidos a especies silvestres o tradicionales

Maleza resistente a herbicidas o bacterias resistentes a antibióticos

Efectos perjudiciales sobre la saludEfectos perjudiciales sobre la salud

Se han descrito problemas alérgicos. Hay gran desconocimiento

Aumento de la dependencia de países en desarrollo

Aumento de la dependencia de países en desarrollo

                                    

            Un notable logro de la CienciaDescubrimiento del ADN cumple 50 años

El País. Madrid, 26 de Marzo de 2001.

Las multinacionales retiran los alimentos transgénicos del Estado español.

Joaquina Prades, Madrid.

Manipulación genética y controversia ética.

La Dignidad del Hombre en Juego

El Libro de la vidaProyecto Genoma Humano

Domingo, 14 de abril de 2002 - 22:58

GMT Mapa del genoma humano en 2003

Con este mapa los científicos podrían trabajar en el descubrimiento de qué genes son responsables de enfermedades como el cáncer, la diabetes y la hipertensión

Proyecto genoma humano

• El proyecto genoma humano fue un proyecto que tenía como objetivo la secuenciación de todo el ADN de un ser humano.

• Secuenciar un genoma significa determinar el orden en que se disponen los cuatro nucleótidos que forman el ADN a lo largo de todas las moléculas que contiene cada célula.

• El ADN humano contiene 3.000 millones de nucleótidos lo cual significaba una dura tarea.

• 1988. El doctor Watson es nombrado director de la Oficina de Investigación del Genoma Humano, organismo dependiente de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de EEUU. Afirma que el genoma podrá estar descodificado para el año 2005 y que le costará al Gobierno alrededor de 3.000 millones de dólares.

• 1990. El doctor Craig Venter, un investigador de los NIH, desarrolla un método más corto para encontrar fragmentos del genoma humano. Demuestra que, a partir de estos fragmentos, se puede identificar a los genes completos.

• Mayo 1998. Venter se 'pasa' a una nueva compañía que pretende secuenciar el genoma humano en tres años, es decir, dos años antes de la fecha prevista por el proyecto estatal. La compañía se llamará Celera.

• Junio 2000. En un día que el presidente Clinton califica de histórico, Venter y Collins aparcan sus diferencias y anuncian que se ha logrado el primer borrador del genoma humano secuenciado

• 12 de Febrero de 2001. La empresa Celera publica la secuenciación del genoma en la revista 'Science'. El consorcio público hace lo mismo en 'Nature'

El proyecto genoma humano ha permitido conocer muchas cosas:

• Cuantos genes tenemos (30.000)• Como son de grandes, unos 3.000 nucleótidos

de media.• Qué proporción de nuestro ADN da lugar a

proteínas (2 %)• Como se organizan los genes en nuestro ADN• En que se diferencia nuestro ADN del de otras

especies.• Que diferencias hay entre los distintos humanos,

el 0’1 %.

• Gracias al conocimiento del genoma humano será posible en el futuro conocer mejor algunas enfermedades y:

1.- Diagnosticar mejor

2.- Aplicar un tratamiento adecuado

3.- Prevenir la aparición de estas enfermedades.

Humanos30,000 genes

Chimpancé30,000 genes

A. thaliana25,000 genes

Ratón30,000 genes

C. elegans19,000 genes

D. melanogaster13,000 genes

98% idéntico

70% idéntico

20% idéntico

60% idéntico

De 289 geneshumanos implicados enenfermedades,hay 177cercanamentesimilares a los genes deDrosophila.

El genoma humano es 10 veces mas pequeño que el genoma de la salamandra Bolitoglossa subpalmata y 200 veces menor que el de la AmebaEntre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.2%